Мутагены и мутагенез, мутагенность. Механизмы репарации клетки и их генетический контроль.

In genetics, a mutagen is a physical or chemical agent that changes the genetic material, usually DNA, of an organism and thus increases the frequency of mutations above the natural background level. As many mutations can cause cancer, mutagens are therefore also likely to be carcinogens, although not always necessarily so. Some chemicals only become mutagenic through cellular processes. Not all mutations are caused by mutagens: so-called "spontaneous mutations" occur due to spontaneous hydrolysis, errors in DNA replication, repair and recombination.Mutagens may be of physical, chemical or biological origin. They may act directly on the DNA, causing direct damage to the DNA, and most often result in replication error. Some however may act on the replication mechanism and chromosomal partition. Many mutagens are not mutagenic by themselves, but can form mutagenic metabolites through cellular processes, for example through the activity of the cytochrome P450 system and other oxygenases such as cyclooxygenase.[25] Such mutagens are called promutagens.The first mutagens to be identified were carcinogens, substances that were shown to be linked to cancer. Tumors were described more than 2,000 years before the discovery of chromosomes and DNA; in 500 B.C., the Greek physician Hippocrates named tumors resembling a crab karkinos (from which the word "cancer" is derived via Latin), meaning crab.[1] In 1567, Swiss physician Paracelsus suggested that an unidentified substance in mined ore (identified as radon gas in modern times) caused a wasting disease in miners. Mutagenesis is a process by which the genetic information of an organism is changed, resulting in a mutation. It may occur spontaneously in nature, or as a result of exposure to mutagens. It can also be achieved experimentally using laboratory procedures. In nature mutagenesis can lead to cancer and various heritable diseases, but it is also a driving force of evolution.

Mutagenesis a s a science was developed based on work done by Hermann Muller, Charlotte Auerbach and J. M. Robson in the first half of the 20th century. Mutagenesis may occur endogenously, for example, through spontaneous hydrolysis, or through normal cellular processes that can generate reactive oxygen species and DNA adducts, or through error in replication and repair.[14] Mutagenesis may also arise as a result of the presence of environmental mutagens that induce changes to the DNA. The mechanism by which mutation arises varies according to the causative agent, the mutagen, involved. Most mutagens act either directly, or indirectly via mutagenic metabolites, on the DNA producing lesions. Some, however, may affect the replication or chromosomal partition mechanism, and other cellular processes. Many chemical mutagens require biological activation to become mutagenic. An important group of enzymes involved in the generation of mutagenic metabolites is cytochrome P450.[15] Other enzymes that may also produce mutagenic metabolites include glutathione S-transferase and microsomal epoxide hydrolase. Mutagens that are not mutagenic by themselves but require biological activation are called promutagens.Types

Directed mutagenesis

Site-directed mutagenesis

PCR mutagenesis

Insertional mutagenesis

Signature tagged mutagenesis

Transposon mutagenesis

Sequence Saturation Mutagenesis

Mutagenicity - Well. Ability to mutational hereditary changes.

DNA repair is a collection of processes by which a cell identifies and corrects damage to the DNA molecules that encode its genome. In human cells, both normal metabolic activities and environmental factors such as radiation can cause DNA damage, resulting in as many as 1 million individual molecular lesions per cell per day.[1] Many of these lesions cause structural damage to the DNA molecule and can alter or eliminate the cell's ability to transcribe the gene that the affected DNA encodes. Other lesions induce potentially harmful mutations in the cell's genome, which affect the survival of its daughter cells after it undergoes mitosis. As a consequence, the DNA repair process is constantly active as it responds to damage in the DNA structure. When normal repair processes fail, and when cellular apoptosis does not occur, irreparable DNA damage may occur, including double-strand breaks and DNA crosslinkages (interstrand crosslinks or ICLs).[2][3] This can eventually lead to malignant tumors, or cancer as per the two hit hypothesis. The rate of DNA repair is dependent on many factors, including the cell type, the age of the cell, and the extracellular environment. A cell that has accumulated a large amount of DNA damage, or one that no longer effectively repairs damage incurred to its DNA, can enter one of three possible states:

an irreversible state of dormancy, known as senescence

cell suicide, also known as apoptosis or programmed cell death

unregulated cell division, which can lead to the formation of a tumor that is cancerous

The DNA repair ability of a cell is vital to the integrity of its genome and thus to the normal functionality of that organism. Many genes that were initially shown to influence life span have turned out to be involved in DNA damage repair and protection. The restoration of damage in the cell was called the repair. Excision - restores damage caused by exposure to ultraviolet rays, but also ionizing radiation and chemical mutagens in the dark. Postreplicative - occurring after replication. Excision repair associated with the removal of a damaged region of DNA is also called a replacement-substitution repair. There is also a violation of the transcription process, not only its blocking, but also the distortion of the "meaning" of genetic information. Excision repair is a multi-stage process involving the detection of a dimer, incision of the DNA monospiral near the dimer-incision, the removal of dimer-excision, and the resynthesis of DNA; Restoration of the continuity of the replication of bonds between the covalent bonds of the saccharophosphate backbone of the molecule. Recognition of damages in the DNA of enzymes of the UV endonuclease. He recognizes the damage that occurs after treatment with chemical agents, such as nitrogenous and sulfur mustard, nitroquinolines. Endonuclease is also responsible for storage, i.e. Scoring one DNA helix directly near the dimer from the 5'-end in the damaged chain. Excision, or excision of dimer from DNA molecules, conducts another endonuclease or UV exonuclease. Removal of the dimer occurs as part of a short oligonucleotide (3-5 bases) and may be accompanied by further degradation of the damaged monospiral. Resynthesis of DNA, as a result of which gaps fill, occurs using an intact chain as a matrix. The main enzyme responsible for reparative analysis of DNA-DNA polymerase I. The last stage of excision repair is to restore the continuity of the DNA helix, which renders the polynucleotide gasase enzyme. Posterplicative repair. Posterplicative repair is open in mutant cells. Coli, unable to cleave thymine dimers. In such cells, after ultraviolet irradiation, DNA reduplication occurs, but slower than in wild-type cells. The mechanism of postreplicative repair is the least specific, since it does not require the stage of recognition of lesions. Recombination post-replicative repair is a quick way to restore the native structure, at least in some of the daughter DNA molecules. In this case thymine dimers remain in the original parental spirals. The rapid repair that occurs in the first minutes after irradiation depends, most likely, on the mechanism that works constitutively. There is another kind - slow postreplikativnaya reparation, which requires a person for several hours and depends on the normal state. Posterplicative repair exists not only in bacteria, but also in eukaryotic cells. It is also found in mammals, for which data have been obtained that the filling of postreclicative gaps may occur due to recombination, but due to the synthesis of DNA. Disturbances in DNA repair processes are found in people affected by a hereditary disease - pigmentary xeroderma. Several species of this disease are known, the common symptoms of which are increased sensitivity to sunlight, leading to the development of skin cancer. The cell culture of patients is sensitive to ultraviolet light, but not to ionizing radiation. In these patients, the defect of excision repair is associated with the lack of activity of the UV endonuclease. Reparative synthesis of DNA. One of the causes of mutations is the possibility of the existence of DNA bases in several tattoos. If adenine is in the usual amnam form, it mates with thymine. Being in a rare iminoform, adenine forms vapors with cytosine. This tautomeric transient adenine in the replication drive can support ATGC transitions. A rare enol tautomer of thymine can form a pair with guanine and this also leads to the replacement of nucleotide pairs. Subsequently, calculations showed that all transitions and transversions can be explained ambiguously, the correspondence between individual nucleotides in complementary DNA strands. 5-bromuracil and 2-aminopurine, causing mutations in bacteriophages and bacteria. 5-bromuracil is included in the DNA instead of thymine and forms pairs with adenine. In this case, an erroneous pairing with guanine during DNA replication, which already included 5-bromouracil (replication error), and an error in the inclusion of an analogue in DNA (inclusion error) is possible. In the first case, as a result of the error, the AT-GC transits are relayed, and in the second case, as a result of the inclusion-transit error GC-AT. The errors of switching on and off when receiving another base analog - 2-aminopurine are analogous. Replication is also necessary for mutations induced by nitrous acid, deaminating adenine, cytosine and guanine. The interaction of nitrous acid with the first two bases in accordance with the transits of AT - GC and GC - AT. The product of deamination of guanine - xanthine forms vapors

Перевод

В генетике мутаген является физическим или химическим агентом, который изменяет генетический материал, обычно ДНК, организма и, таким образом, увеличивает частоту мутаций выше уровня естественного фона. Так как многие мутации могут вызывать рак, мутагены, следовательно, также могут быть канцерогенами, хотя не всегда это необходимо. Некоторые химические вещества становятся мутагенными только благодаря клеточным процессам. Не все мутации вызваны мутагенами: так называемые «спонтанные мутации» происходят из-за спонтанного гидролиза, ошибок в репликации ДНК, репарации и рекомбинации. Мутагены могут иметь физическое, химическое или биологическое происхождение. Они могут действовать непосредственно на ДНК, вызывая прямое повреждение ДНК, и чаще всего приводят к ошибке репликации. Некоторые, однако, могут действовать на механизм репликации и хромосомный раздел. Многие мутагены сами по себе не мутагенны, но могут образовывать мутагенные метаболиты посредством клеточных процессов, например, посредством активности системы цитохрома Р450 и других оксигеназ, таких как циклооксигеназа [25] Такие мутагены называются промутагены. Первыми мутагенами, которые должны быть идентифицированы, были канцерогены, вещества, которые, как было показано, были связаны с раком. Опухоли были описаны более чем за 2000 лет до открытия хромосом и ДНК; В 500 г. до н. Э. Греческий врач Гиппократ назвал опухоли, напоминающие крабов-каркинос (отсюда слово «рак» происходит через латынь), что означает краб. [1] В 1567 году швейцарский врач Парацельс предположил, что неопознанное вещество в добытой руде (идентифицированное как газ радона в наше время) вызвало истощение болезни у горняков.

Мутагенез - это процесс, посредством которого генетическая информация организма изменяется, приводя к мутации. Это может происходить спонтанно в природе или в результате воздействия мутагенов. Это также может быть достигнуто экспериментально с использованием лабораторных процедур. В природе мутагенез может привести к раку и различным наследуемым заболеваниям, но он также является движущей силой эволюции. Мутагенез как наука был разработан на основе работы, выполненной Германом Мюллером, Шарлоттой Ауэрбахом и Дж. М. Робсоном в первой половине XX века. Мутагенез может происходить эндогенно, например, спонтанным гидролизом или нормальными клеточными процессами, которые могут генерировать реактивные формы кислорода и аддукты ДНК, либо через ошибки в репликации и восстановлении [14]. Мутагенез также может возникать в результате присутствия экологических мутагенов, которые вызывают изменения в ДНК. Механизм возникновения мутации изменяется в зависимости от возбудителя, мутагена, участвующего. Большинство мутагенов действуют либо непосредственно, либо опосредованно через мутагенные метаболиты, на повреждения, вызывающие ДНК. Некоторые, однако, могут влиять на механизм репликации или хромосомного разделения и другие клеточные процессы.

Многие химические мутагены требуют биологической активации, чтобы стать мутагенными. Важной группой ферментов, участвующих в образовании мутагенных метаболитов, является цитохром Р450 [15]. Другие ферменты, которые также могут продуцировать мутагенные метаболиты, включают S-трансферазу глутатиона и микросомальную эпоксидгидролазу. Мутагены, которые не являются мутагенными сами по себе, но требуют биологической активации, называются промутаеном. Типы

Направленный мутагенез

Сайт-направленный мутагенез

ПЦР-мутагенез

Вставка мутагенеза

Меченый мутагенез с подписи

Мутагенез транспозонов

Мутагенез с насыщенной последовательностью

Мутагенность - хорошо. Способность к мутационным наследственным изменениям.

Репаративная способность ДНК - это совокупность процессов, посредством которых клетка идентифицирует и исправляет повреждение молекул ДНК, кодирующих ее геном. В клетках человека как нормальная метаболическая активность, так и факторы окружающей среды, такие как радиация, могут вызывать повреждение ДНК, что приводит к 1 миллиону отдельных молекулярных поражений на клетку в сутки [1] Многие из этих повреждений вызывают структурное повреждение молекулы ДНК и могут изменить или исключить способность клетки транскрибировать ген, который кодирует пораженная ДНК. Другие поражения вызывают потенциально опасные мутации в геноме клетки, которые влияют на выживание дочерних клеток после того, как он подвергнется митозу. Как следствие, процесс восстановления ДНК постоянно активен, так как он реагирует на повреждение структуры ДНК. Когда нормальные процессы восстановления терпят неудачу, и когда клеточный апоптоз не происходит, может произойти непоправимое повреждение ДНК, включая двухнитевые разрывы и сшивки ДНК (межслойные сшивки или ICL) [2]. [3] Это может в конечном итоге привести к злокачественным опухолям или раку в соответствии с двумя гипотезами хита. Скорость восстановления ДНК зависит от многих факторов, включая тип клетки, возраст клетки и внеклеточную среду. Клетка, которая накопила большое количество повреждений ДНК, или та, которая больше не эффективно восстанавливает ущерб, нанесенный ее ДНК, может войти в одно из трех возможных состояний: Необратимое состояние покоя, известное как старение Клеточный самоубийство, также известный как апоптоз или запрограммированная гибель клеток Нерегулируемое деление клеток, которое может привести к образованию опухоли, которая является злокачественнойРепаративная способность ДНК клетки жизненно важна для целостности ее генома и, следовательно, для нормальной функциональности этого организма. Многие гены, которые изначально показали, что они влияют на продолжительность жизни, оказались вовлеченными в ремонт и защиту от повреждений ДНК. Восстановление повреждений в клетке получило название репарации. Эксцизионная - восстанавливает повреждения, возникающие при воздействии ультрафиолетовых лучей, но и ионизирующих радиаций и химических мутагенов в темноте. Пострепликативная - происходящая после репликации. Эксцизионную репарацию, связанную с удалением поврежденного участка ДНК, называют также репарацией по типу выщепления-замещения. Происходит также нарушение процесса транскрипции, причем не только его блокирование, но и искажение «смысла» генетической информации. Эксцизионная репарация - многоэтапный процесс, заключающийся в обнаружении димера, надрезании моноспирали ДНК вблизи димера - инцизии, удалении димера - эксцизии, ресинтеза ДНК; восстановление непрерывности репликации связей между ковалентными связями сахарофосфатного скелета молекулы. Узнавание повреждений в ДНК ферментов УФ-эндонуклеаза. Он распознает повреждения, возникающие после обработки химическими агентами, такими как азотистый и серный иприты, нитрохинолинозы. Эндонуклеаза ответственна и за хранение, т.е. Надрезание одной спирали ДНК непосредственно около димера с 5'-конца в поврежденной цепи. Эксцизию, или вырезание димера из молекул ДНК, проводит другую эндонуклеазу или УФ-экзонуклеазу. Удаление димера происходит в составе короткого олигонуклеотида (3-5 оснований) и может сопровождаться дальнейшей деградацией поврежденного моноспирали. Ресинтез ДНК, в результате которого заполняются бреши, происходит с использованием интактной цепи в качестве матрицы. Основной фермент, ответственный за репаративный анализ ДНК - ДНК-полимераза I. Последний этап эксцизионной репарации заключается в восстановлении непрерывности спирали ДНК, которая оказывает фермент полинуклеотидлигаза. Пострепликативная репарация. Пострепликативная репарация открыта в клетках мутантов. Coli, не способных выщеплять тиминовые димеры. В таких клетках после ультрафиолетового облучения происходит редупликация ДНК, но медленнее, чем в клетках дикого типа. Механизм пострепликативной репарации наименее специфичен, так как не требует этапа узнавания повреждений. Рекомбинационная пострепликативная репарация - это быстрый способ восстановления нативной структуры, по крайней мере, у части дочерних молекул ДНК. При этом тиминовые димеры остаются в исходных родительских спиралях. Быстрая репарация, возникающая в первые минуты после облучения, зависит, скорее всего, от механизма, работающего конститутивно. Существует и другая разновидность - медленная пострепликативная репарация, которая требует от своего лица нескольких часов и зависит от нормального состояния. Пострепликативная репарация существует не только у бактерий, но и в клетках эукариот. Она обнаружена и у млекопитающих, для которых получены данные о том, что заполнение пострепликативных брешей может происходить за счет рекомбинации, а за счет синтеза ДНК. Нарушения процессов репарации ДНК обнаружены у людей, пораженных наследственным заболеванием - пигментной ксеродермой. Известно несколько видов этой болезни, общие симптомы которых - повышенная чувствительность к солнечному свету, приводящая к развитию рака кожи. Культура клеток больных чувствительна к ультрафиолетовому свету, но не к ионизирующим излучениям. У этих больных дефект эксцизионной репарации связан с отсутствием активности УФ-эндонуклеазы. Репаративный синтез ДНК. Одна из причин мутаций - возможность существования оснований ДНК в нескольких татуировках. Если аденин находится в обычной амнной форме, он спаривается с тимином. Будучи в редкой иминоформе, аденин образует пары с цитозином. Этот таутомерный переходный аденина при приводе репликации может поддерживать транзиции ATGC. Редкий енольный таутомер тимина может образовать пару с гуанином и это также приводит к замене пар нуклеотидов. В дальнейшем расчеты показали, что все транзиции и трансверсии могут быть объяснены неоднозначно, соответствие между отдельными нуклеотидами в комплементарных цепях ДНК. 5-бромурацила и 2-аминопурина, вызывающие мутации у бактериофагов и бактерий. 5-бромурацил включается в ДНК вместо тимина и образует пары с аденином. При этом возможно ошибочное спаривание с гуанином при репликации ДНК, уже включившей 5-бромурацил (ошибка репликации), а также ошибка при включении аналога в ДНК (ошибка включения). В первом случае в результате ошибки ретранслируются транзиты АТ - GC, а во втором - в результате ошибки включения - транзиции GC - AT. Аналогичны ошибки включения и выключения при приеме другого аналога оснований - 2-аминопурина. Необходима репликация и для мутаций, индуцированных азотистой кислотой, дезаминирующей аденин, цитозин и гуанин. Взаимодействие азотистой кислоты с первыми двумя основаниями в соответствии с транзитами АТ - ГХ и ГХ - АТ. Продукт дезаминирования гуанина - ксантин образует пары.

3. Предположим, что D, E, F, G, H и I являются аутосомными генами на разных хромосомах. От спаривания DdeeFfGGHhIi x DdEEFFGgHhii: